太陽老化觀測證據出爐,科學家確定水星軌道已擴大

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 23 日 18:45 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

就如同人類步入老年後越來越沒力,美國太空總署(NASA)現在證實了太陽隨著年紀增長在損失質量,對行星的控制力道也減弱了,證據來自水星軌道發生變化,幾個世紀下來稍微往外擴大了點(當然這種變化於我們而言相當微不足道)。



水星是最靠近太陽的行星,對太陽的質量與引力變化最敏感,科學家一直在觀察這個行星的運動路徑,並繪製水星的星曆表(ephemeris),紀錄了水星多個世紀以來的近日點及遠日點位置變化。

提到水星軌道的變化之前,必須先提到重力場的歷史觀。

愛因斯坦誕生前,世界以牛頓力學為信仰,因此當水星的實際軌跡與牛頓動力學預測的有偏差時,科學家將水星近日點的反常特殊軌道稱為歲差現象,對其感到困惑。牛頓認為這種擺動是某顆介於水星和太陽間的未知星球引力所造成,而這顆假想行星在 1859 由當時最偉大的天文學家之一 Urbain Le Verrier(註)「證實」存在,命名為火神(Vulcan)。

但偉大的物理學家愛因斯坦在發表相對論後打破了這個神話,推翻牛頓的絕對時間觀。

1915 年,愛因斯坦發表的一系列論文給予廣義相對論最初的形式,他首先注意到稱為(弱)等效原理的實驗事實,也可以理解為,當除了重力之外不受其他力作用時,所有質量夠小(即其本身的質量小到對重力場的影響可以忽略)的測驗物體,在同一重力場會以同樣的方式運動。

既然如此,不妨認為重力其實並不是一種「力」,而是一種時空效應,即物體的質量能導致時空彎曲,重力源對測驗物體的重力正是這種時空彎曲造成的幾何效應。這時,所有的測驗物體在這個彎曲時空中慣性運動,其運動軌跡正是該彎曲時空的測地線,它們都遵守測地線方程式。

簡單說,愛因斯坦用廣義相對論完美解釋了水星近日點的反常運動,是因為受到太陽巨大質量造成的時空彎曲所影響,其他科學家不得不心悅誠服的接受這個理論。

廣義相對論中,還有另一個極為渺小的因素也可能影響水星的歲差現象:太陽扁率,現在 NASA 與麻省理工學院組成的團隊透過精確計算扁率的變化,證實水星軌道已往外擴大了點。

▲ 科學家確定水星軌道發生了微妙變化。(Source:NASA

團隊的研究數據來自已撞擊水星表面的信使號(MESSENGER),這是人類第一顆成功近距離探測水星的探測衛星,多達 7 年的數據讓研究人員足以確定太陽如何失去質量、失去的質量如何導致行星軌道擴大,這也是第一次有關太陽質量損失的實驗觀測論文發表。

信使號的數據證實愛因斯坦是對的,不過也許有天科學家又會找到一個與理論略有不同的地方,就像愛因斯坦當年推翻牛頓一樣推翻這位天才。當然這件事還沒有發生。

另外,這種微小的軌道變化影響相當微不足道,大概就是地球軌道每年擴展不到 1 英吋那樣不足一提,但這些變化對監測太陽本身可能是非常有用的訊息,越來越多的觀測數據可讓理論更堅實。這篇論文發表在《自然通訊》期刊。

註:Urbain Jean Joseph Le Verrier,法國數學家、天文學家,是他計算出海王星的軌道、位置、大小,然後請柏林天文台的伽勒尋找這顆未知行星。1846 年 9 月 23 日,伽勒只花了一個小時,就在離 Le Verrier 預言位置偏差不到 1 度的地方發現一顆新行星,即海王星。那一年,Le Verrier 僅 35 歲。

(首圖來源:NASA